藉河階地水源熱泵井成井過程中井壁坍塌預測及防范措施研究

張磊 陳浩龍 劉煒 陳堯 孫文禮 楊虎

甘肅工業職業技術學院 甘肅 天水 741025

1 引言

藉河階地淺層地下水蘊藏著巨大的地熱能，然而地層巖性及狀態決定了在進行地下水源熱泵抽、灌井施工過程中極易失穩，井壁坍塌是困擾工程質量和工程進度的一個重要問題，實際上，井壁坍塌是一個力學意義上的平衡穩定性問題[1]。

2 研究區概況

藉河流域屬溫帶輕冰凍中溫區，據統計，該流域年平均降水量達551.7m，七、八、九月份降水量占全年降水量的70%。

2.1 鉆探工程及地層巖性

根據鉆探揭露，藉河河谷地層如下表所示：

表1 藉河河谷階地地層特征

2.2 地表水

耤河全長85km，流域面積1267km2，多年平均流量4.12m3/s，藉河流域屬黃土峁梁溝壑區，水土流失較嚴重。

2.3 地下水

2.3.1 地下水類型及其特征

總體上，研究區流域地下水主要為第四系松散巖類孔隙水及第三系碎屑巖類孔隙裂隙水兩大類。

（1）第四系松散巖類孔隙水

據鉆探資料揭露，河谷階地地下水主要賦存類型為潛水。含水層為第四紀沖積相（Q4al+pl）圓礫、砂卵石層。

（2）第三系碎屑巖類孔隙裂、隙水

據已有資料，在潛水含水層之下，至第三系泥巖頂部風化帶的孔隙、裂隙水。

2.3.2 地下水質特征

閻家河至趙家崖一帶，水質類型、礦化度及硬度見表2。 局部近丘陵地帶，出現了 SO4-HCO3型或HCO3-SO4-Cl型，礦化度為0.9-19g/1，總硬度高達401-933mg/l，水質較差。

表2 不同區段的地下水質

3.井壁坍塌預測

當圍巖所受到的應力超出了其自身強度的時候，便會發生井壁坍塌。所以，要預測井壁坍塌，必須查明井周圍巖應力狀態、圍巖強度及孔隙水壓力等。

井孔形成后井壁圍巖受以下五個作用力的綜合作用：

1、受鉆井液液柱壓力Pi；

2、垂向地應力 σv；

3、最大水平地應力 σH；

4、最小水平地應力 σh；

5、地層孔隙壓力 Pp 。

實際上，通過受力分析可知井壁圍巖三向主應力分別為 σ 1（σv）、 σ 2（σH）和 σ 3 （σh）。

考慮到含水層埋深較淺，水平向以單軸應變為基礎的最大和最小地應力，即：

大量工程經驗及理論研究表明，井壁失穩有兩種形式：壓致剪切破壞與拉伸破壞。實際應用的時候，一般采用Mohr--Coulomb 強度準則和最大拉應力強度準則分別評價井壁的壓致剪切破壞和拉伸破壞。

井壁坍塌、縮徑：

對研究區地下水源熱泵抽水井影響范圍內的地層強度參數及孔隙水壓力測定結果如下表3。

表3 地層巖土體力學參數

計算表明：研究區圓礫、泥巖層均易坍塌。一般地，在鉆井過程中，普遍存在剝蝕、掉塊等類型的井壁坍塌，發生坍塌的原因是多方面的，涉及到復雜的力學作用、物理化學作用。

研究區圓礫層為主要含水層，相對松散，而泥巖層含蒙脫石等親水礦物，水化易膨脹、軟化，這是導致研究區潛水井井壁坍塌的主要原因。

4.井壁穩定性防范措施

研究區巖土體屬于易坍塌區塊，在鉆進過程中應該嚴格執行規范要求的鉆進工藝。同時，采用抑制能力較強的鉆井液體系。

4.1 嚴格控制易塌地層鉆井液的濾失量

濾矢量越大，液體滲入就越深，進而影響范圍也就越大。在地層中，水化作用會造成膨脹、崩解、溶蝕等降低巖土強度行為。一般地，可通過提高鉆井液粘度來實現濾矢量的降低。

4.2 增加鉆井液的抑制性

勘察資料表明，研究區泥巖層含有蒙脫石和高嶺石、伊利石等粘土礦物，通過適度提高鉆井液的含鹽量，有助于抑制因蒙脫石水化膨脹分散誘發的崩解脫落。此外，以含蒙脫石主的泥巖地層，在鉆井液中加入貫用的含鉀防塌劑對此類地層的井壁穩定是極其有利的。

5.結論

（1）藉河階地含水層主要為圓礫層潛水，局部存在承壓水和半承壓水。水質類型比較簡單，基本為HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg，水質良好，礦化度0.4-0.6g/l，硬度較低，為216-312mg/l。

（2）采用 Mohr--Coulomb 強度準則計算表明研究區井壁易發生坍塌，研究區圓礫層為主要含水層，相對松散，而泥巖層含蒙脫石等親水礦物，水化易膨脹、軟化，所以極易發生壓致剪切破壞。

（3）嚴格控制易塌地層鉆井液的濾失量和增加鉆井液的抑制性對于研究區井壁坍塌防范十分必要。